新機(jī)器人概念使用響應(yīng)材料在水中游泳

加州理工學(xué)院和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的工程師開(kāi)發(fā)出了能夠自行推進(jìn)的機(jī)器人，無(wú)需使用任何電機(jī)，伺服系統(tǒng)或電源。相反，這些首創(chuàng)的設(shè)備在水中劃水，因?yàn)樗鼈冇蓽囟茸兓冃巍?/p>

這項(xiàng)工作模糊了材料和機(jī)器人之間的界限。在自行式設(shè)備中，材料本身使機(jī)器起作用。“我們的例子表明，我們可以使用結(jié)構(gòu)材料來(lái)響應(yīng)環(huán)境因素，控制和推動(dòng)機(jī)器人，”加州理工學(xué)院工程與應(yīng)用科學(xué)系機(jī)械工程和應(yīng)用物理學(xué)教授Daraio說(shuō)道，并且是一篇論文的通訊作者推出5月15 日出現(xiàn)在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊上的機(jī)器人。

新推進(jìn)系統(tǒng)依賴于柔性聚合物條帶，在冷卻時(shí)卷曲并在溫暖時(shí)伸展。聚合物被定位以激活機(jī)器人體內(nèi)的開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)又連接到槳，其像劃艇一樣向前排。

該開(kāi)關(guān)由雙穩(wěn)態(tài)元件制成，該雙穩(wěn)態(tài)元件是可以在兩種不同的幾何形狀中穩(wěn)定的部件。在這種情況下，它由彈性材料條構(gòu)成，當(dāng)被聚合物推動(dòng)時(shí)，彈性材料從一個(gè)位置卡扣到另一個(gè)位置。

當(dāng)冷機(jī)器人被放置在溫水中時(shí)，聚合物伸展開(kāi)來(lái)，激活開(kāi)關(guān)，由此產(chǎn)生的能量突然釋放使機(jī)器人向前移動(dòng)。聚合物條帶也可以“調(diào)整”以在不同時(shí)間給出特定的響應(yīng)：也就是說(shuō)，較厚的條帶需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)加熱，拉伸并最終激活其槳葉而不是更薄的條帶。這種可調(diào)性使團(tuán)隊(duì)能夠設(shè)計(jì)出能夠以不同速度轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)的機(jī)器人。

該研究以加州理工學(xué)院航空航天教授Daraio和Dennis Kochmann先前的工作為基礎(chǔ)。他們使用雙穩(wěn)態(tài)元件鏈來(lái)傳輸信號(hào)并構(gòu)建類似計(jì)算機(jī)的邏輯門。

在設(shè)計(jì)的最新版本中，Daraio的團(tuán)隊(duì)和合作者能夠以這樣的方式連接聚合物元件和開(kāi)關(guān)，使四輪機(jī)器人向前推進(jìn)，從而減少一個(gè)小的有效載荷(在這種情況下，一個(gè)令牌，加上印有加州理工學(xué)院的密封件)，然后向后劃槳。

“將簡(jiǎn)單的動(dòng)作結(jié)合在一起，我們能夠?qū)⒕幊糖度氲讲牧现校詧?zhí)行一系列復(fù)雜的行為，”加州理工學(xué)院博士后學(xué)者Osama R. Bilal說(shuō)，他是PNAS論文的共同第一作者。將來(lái)，可以添加更多功能和響應(yīng)，例如使用對(duì)其他環(huán)境因素(如pH或鹽度)有反應(yīng)的聚合物。研究人員表示，未來(lái)版本的機(jī)器人可能含有化學(xué)品泄漏，或者在較小規(guī)模上可能含有藥物。

目前，當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)元件咬合并釋放能量時(shí)，必須手動(dòng)復(fù)位它們才能再次工作。接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃探索重新設(shè)計(jì)雙穩(wěn)態(tài)元件的方法，以便在水溫再次變化時(shí)自動(dòng)重置 - 使得它們可能無(wú)限期地游泳，只要水溫不斷波動(dòng)。

PNAS論文的標(biāo)題是“利用雙穩(wěn)態(tài)機(jī)器人進(jìn)行柔性無(wú)繩機(jī)器人的定向推進(jìn)。”